Betriebssystem-Energiebuchhaltung

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1 Betriebssystem-Energiebuchhaltung Ausgewählte Kapitel der Systemsoftwaretechnik: Energiegewahre Systemsoftware Andreas Mosthaf 13. Juni 2013

2 Überblick Motivation Energie-Sichtbarkeit Energie-Allokation Kontrollmechanismen ECOSystem Cinder-Betriebssystem am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) 2 25

3 Motivation So oft wie mein Smartphone am Ladegerät hängt, könnte es fast ein Festnetztelefon sein. am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Motivation 3 25

4 Ziele der Energiebuchhaltung Energie sparen Kostenreduktion Regulierung der Temperatur Laufzeit der Batterie optimieren Performanz am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Motivation 4 25

5 Energie-Sichtbarkeit für die effektive Verwaltung von Energie moderne Hardware bietet Schnittstellen zur Abfrage relevanter Daten S.M.A.R.T (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) SBS (Smart Battery System) Messung des Energieverbrauchs am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Energie-Sichtbarkeit 5 25

6 Batterie SBS-Schnittstelle stellt aktuelle Parameter bereit Spannung Entladerate geschätzte verbleibende Kapazität Entladerate und Kapazität bestimmen die Lebenszeit Discharge Rate Usable Battery Capacity (normalized to 1C discharge rate) C/5 107% C/2 104% C 100% 2C 94% 4C 86% am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Energie-Sichtbarkeit 6 25

7 Energieverbrauch Energieverbrauch ist abhängig von Geräteeigenschaften Betriebsmodus aktueller Zustand muss von der Buchhaltung berücksichtigt werden Messergebnisse einer Festplatte vom Typ IBM Travelstar 12GN Zustand Kosten Timeout (s) Zugriff 1.65 mj/block Idle mw 0,5 Idle mw 2 Idle mw 27,5 Standby (disk down) 0 mw Spinup 6000 mj Spindown 6000 mj am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Energie-Sichtbarkeit 7 25

8 Energie-Allokation Currentcy setzt sich zusammen aus Current (Strom) Currency (Währung) Abstraktion für Energie eine Currentcy-Einheit gewährt den Verbrauch einer entsprechenden Energiemenge Zeit wird in Energie-Epochen eingeteilt angestrebte Entladerate der Batterie bestimmt wie viel Leistung in jeder Epoche allokiert werden kann am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Energie-Allokation 8 25

9 Kontroll-Mechanismen Isolation zur Begrenzung des Verbrauchs einzelner Prozesse schützt Prozesse voreinander Delegation erlaubt die verfügbare Energie anderen Prozessen zugänglich zu machen ermöglicht die Bündelung der Energie mehrerer Prozesse Unterteilung zur Partitionierung der verfügbaren Energie am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Kontrollmechanismen 9 25

10 ECOSystem basiert auf dem Linux Kernel 2.4 implementiert das Currentcy-Modell durch Erweiterung des Kernels um Container-Objekte eine energiegewahre Ablaufplanung Mechanismen zur Allokation von Energie Anpassung der Treiber evaluiert auf einem IBM ThinkPad T20 Laptop am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) ECOSystem 10 25

11 Energieverbrauch Prozessor processor-time(s) active-state-power-cost(w) Festplatte buffersize(kb) active-state-power-cost(w) disk-access-bandwith(kb/s) Kosten für Spinup, Spindown und Timeout-Verzögerung werden aufgeteilt Netzwerk-Schnittstelle sent-bits transmit-power E send = bit-rate received-bits receive-power E recv = bit-rate am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) ECOSystem 11 25

12 ECOSystem Evaluation Microbenchmarks DiskW schreibt periodisch auf die Festplatte (HD) NetRecv sendet periodisch Daten über das Netzwerk (Net) Compute führt kontinuierlich Berechnungen durch (CPU) Currentcy Model App CPU(mJ) HD(mJ) Net(mJ) Total(mJ) DiskW , ,749 NetRecv 256, , ,409 Compute 8,236, ,236,729 Program Counter Sampling App CPU(mJ) HD(mJ) Net(mJ) Total(mJ) DiskW NetRecv 256,571 9,235 20, ,012 Compute 8,236, , ,789 9,094,922 am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) ECOSystem 12 25

13 ECOSystem Evaluation Buchhaltungsfehler ungenaue Messergebnisse wirken sich auf Batterielaufzeit aus periodische Abfrage der Batterie ermöglicht Korrektur von Fehlern with correction without correction targeted lifetime 2 Battery Lifetime [hours] Targeted Lifetime [hours] am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) ECOSystem 13 25

14 Das Cinder-Betriebssystem erweitert das HiStar Betriebssystem sicheres, auf Informationsfluss basierendes Betriebssystem hierarchische Struktur durch Container-Objekte Interprozesskommunikation über Gate-Objekte am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 14 25

15 Das Cinder-Betriebssystem nutzt Container-Objekte für die Energiebuchhaltung erweitert den Kernel um zwei Objekte Reserves zur Speicherung von Energiewerten Taps für den Transfer von Energiewerten evaluiert auf einem HTC Dream Smartphone Zwei-Prozessor-System Betriebssystem auf ARM11-Prozessor ARM9-Prozessor für sensitive Peripherie-Geräte Kommunikation über gemeinsamen Speicher und Unterbrechungen am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 15 25

16 Cinder-Applikation darstellbar durch einen hierarchischen Energie-Verbrauchs-Graphen Wurzelknoten ist verbunden mit der System-Batterie Taps werden durch Pfeile modelliert proportionale Taps ermöglichen Begrenzung einer Reserve am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 16 25

17 Energiegewahre Applikation Netzwerk-Galerie-Applikation separater Thread mit eigenem Reserve führt das Herunterladen der Bilder aus Applikation passt Rate des Taps an das Volumen der angeforderten Bilder an am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 17 25

18 Energiegewahre Applikation Evaluation Reserve Level (µj) Reserve Level (µj) Reserve Level without Application Scaling Time (seconds) Reserve Level with Application Scaling Time (seconds) Transfer rate (KiB) Transfer rate (KiB) am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 18 25

19 Hintergrundprozesse Hintergrundprozess soll vom Benutzer nicht wahrgenommen werden Prozesse sind immer mit Vordergrund- und Hintergrund-Reserve verbunden nur der im Vordergrund laufende Prozess erhält Energie vom Vordergrund-Reserve am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 19 25

20 Hintergrundprozesse Evaluation A in foreground B in foreground Est. Power (mw) (a) A Time (s) B A in foreground B in foreground Est. Power (mw) (b) A Time (s) B am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 20 25

21 Koordinierter Netzwerkzugriff Zugriff auf das Netzwerk über entsprechenden Dienst Aktivierung der Schnittstelle kostet viel Energie Koordinierung der Zugriffe verbessert die Energie-Effizienz am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 21 25

22 Koordinierter Netzwerkzugriff Evaluation Watts a) Watts b) Uncooperative Radio Access Seconds Cooperative Radio Access Using Reserves and Limits Seconds am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 22 25

23 Zusammenfassung und Fazit akkurate Messwerte sind Voraussetzung Currentcy als Einheit für Energie Isolation, Delegation und Unterteilung notwendig ECOSystem implementiert Currentcy-Modell mit flacher Hierarchie Das Cinder-Betriebssystem bietet Schnittstellen für energiegewahre Applikationen Signifikante Verbesserungen der Energieeffizienz? Was ist mit Energie-Profiling? Wie viel Energie verbraucht die Buchhaltung? Geeignet für Echtzeitsysteme? am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 23 25

24 Fragen und Antworten Fragen? am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 24 25

25 Referenzen Arjun Roy and Stephan M. Rumble and Ryan Stutsman and Philip Levis and David Mazieres and Nickolai Zeldovich. Energy Managment in Mobile Devices with the Cinder Operating System. Hang Zeng and Carla S. Ellis and Alvin R. Lebeck and Ahmin Vahdat. ECOSystem: Managing energy as a first class operating system resource. am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 25 25